论移动通信无线资源管理

摘要：正交频分复用（OFDM）技术由于其具有高速数据传输速率，高频谱利用率，能有效地对抗多径效应，消除符号间干扰等特性，已成为宽带无线通信系统的首选技术。为了满足未来更高传输速率和突发通信的要求，3GPP在2004年底启动了长期演进（LTE）项目，LTE系统采用OFDM技术作为其物理层下行传输技术。OFDM系统自身的正交多载波调制特点，决定了其对定时误差和载波频率偏差十分敏感，因此能否实现准确的时频同步，对OFDM系统的整体性能有着决定性的影响。本文基于OFDM系统的基本原理以及同步技术的研究现状，分析了各种同步误差对OFDM系统性能的影响，并研究了基于训练序列的OFDM符号定时同步算法。同时根据SC算法及其演进算法（Minn算法和Park算法）的训练符号特点及算法原理，提出了针对Park算法的改进算法，以消去以往算法中定时测度存在的平台现象和多尖峰现象，即改进算法的定时测度曲线只存在一个尖锐的同步峰。通过仿真分析了各同步算法在AWGN信道下的同步性能，结果表明本文提出的改进算法具有较为优越的同步性能。针对LTE现有下行信道基于Zadoff-Chu序列（ZC序列）的同步方案在CoMP环境下存在的不足，提出了一种能够有效应用于CoMP环境下的改进的下行同步方案，即基于零相关窗序列（ZCZ序列）的联合检测算法。仿真表明，与LTE现有同步方案相比，本文提出的改进方案能够有效地提高UE在多小区环境下小区边缘的同步性能。关键词：OFDM；同步；LTE；ZC序列；ZCZ序列正文：3G的出现给移动通信带来了巨大的影响，同时也给人们的生活带来了前所未有的体验。但人们的需求却从未停止。为了满足用户需求和应对宽带接入技术的挑战，国际标准化组织3GPP在2004年底启动了UMTS技术的长期演进(LongTermEvolution,LTE)技术的标准化工作，这种以正交频分复用(OFDM)为核心的技术，被看作是“准4G”技术。由于OFDM技术子载波间存在严格的正交性，对同步误差非常敏感，因而同步性能的优劣会对OFDM系统性能造成直接的影响。本文将首先介绍OFDM系统的基本原理及同步技术研究现状，然后对LTE系统的技术背景及下行信道同步过程进行分析说明，并提出本课题的主要研究任务和研究意义，最后给出本文的主要工作及章节安排。OFDM系统同步问题概述OFDM的全称是OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，即正交频分复用，它是一种特殊的多载波频分复用(FDM)技术。它具有良好的抗噪声性能、抗多径干扰能力，消除符号间干扰以及高频谱利用率，适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在无线通信各个领域得到了广泛的应用，成为3G时代移动通信的主流技术。OFDM系统的基本原理。DM系统的基本原理是将串行的高速数据流转换成N路速率较低的多个子数据流，在一组低速正交子载波上并行传输。这些相互正交子载波的频谱可以重叠，大大提高了频率效率。低速的并行数据流的速率是原来的1N，即符号周期扩大了原来的N倍，远大于信道的最大时延扩展，把一个宽带频率选择性信道划分成了N个窄带平坦衰落信道。故尽管整个信道是非平坦的频率选择性，但每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间干扰。OFDM最基本的原理框图如图1.1所示。图1.1OFDM系统基本原理框图为了消除由于多径效应引起的符号间干扰(ISI)，需要在OFDM符号间引入保护间隔，保护间隔的长度应大于信道的最大多径时延，这样一个OFDM符号的多径分量不会对下一个OFDM符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插任何信号，即一段空白的传输时段。然而在这种情况下，OFDM符号之间引入保护间隔会破坏了子载波之间的正交性，加上多径传播的影响，造成子载波间干扰(ICI)。为了解决这个问题，将OFDM符号的尾部数据复制到保护间隔内，构造循环前缀(CP,CyclicPrefix)。只要无线信道中的最大时延不超过循环前缀的长度，就可以同时解决子载波间干扰和符号间干扰问题。图1.2显示了循环前缀的插入。

一个完整的OFDM基带系统框图如图1.3所示。OFDM基带系统对信息的处理过程如下：对输入的信息比特流进行基带调制，如MPSK、MQAM调制，调制后的符号流进入串并变换模块，形成K路并行符号流，对这K路符号进行多载波调制，即N(KNW)点IFFT变换。这里设定KNW的原因是，在某些应用环境中，会有一部分子载波用来传送导频信号，或者考虑到滤波器的性能，两端都要留出P个虚拟子载波，作为保护频带，这样，实际用来传送有用信息的子载波K就小于总的子载波数，即IFFT变换的点数N。所以IFFT处理器除实现IFFT变换外，还可根据系统的要求，实现选定导频信号、虚拟子载波及形成符号波形等功能。处理后的数据经过并串转换，成为长度为N的串行数据流，对这N个数据进行循环扩展，即加L个抽样值的循环前缀CP，构成一个基本的OFDM符号，OFDM符号经D/A转换，送进信道，在接收端滤波后进入A/D变换器，对输出的数据流进行定时同步，估计频偏，同步后的数据流删除循环前缀CP，按OFDM符号转换成N路并行数据，进行多载波解调，即FFT变换，FFT处理器后还要跟踪数据的频偏，并实现信道估计，从而对解调数据进行信道均衡。从处理后的N个数据中取出K点数据信息，经并串变换、基带解调后，得到接收的信息比特流。OFDM系统的时频同步。任何数字通信系统中同步技术都是需要解决的实际问题。同步性能的优劣直接关系到整个通信系统的性能，同步是信息可靠传输的前提。对于OFDM系统，其对同步的精准度要求相对更高。载波频率的不同步或者符号定时的不准确，将会引入ICI、ISI，并且还会破坏OFDM系统内各个子载波的正交性，使得接收端无法正确接收数据。尤其是在移动无线信道中，多径衰落、多普勒频移等因素导致OFDM系统的同步问题变得更加困难。因此OFDM系统中同步技术是近年来的研究热点之一，关系到整个OFDM系统的性能优劣。OFDM系统的同步问题主要有三种：定时同步，即在接收端确定每个OFDM符号的起始时刻，即每个FFT窗的位置，保持IFFT和FFT起始时刻一致；频率同步，保证接收端振荡器的频率与发送载波同频同相；采样同步，保持接收端和发送端的抽样频率一致。图1.4给出了三种同步在系统中所处的大致位置。本文只考虑前面两种同步问题，假设发射机和接收机之间的采样同步是理想的。定时同步包括帧同步和符号同步。由于OFDM系统的信号是分块传输的，因此需要帧(由多个符号组成)同步用于确定一个数据帧的正确起始位置，也就是从噪声和干扰中识别传输数据到达接收机的时刻。为了正确进行解调，接收端必须进行符号定时，来确定OFDM符号的起始位置。在符号定时同步中分为粗估计和细估计。粗估计是粗略估计出一个OFDM符号的开始位置，要求就是估计到OFDM循环前缀开始到OFDM数据之间的部分。而细估计则要求精确估计出OFDM符号的开始地方。OFDM同步技术研究现状。同步作为OFDM的关键技术是目前研究的重点和热点。下面简要介绍一下OFDM系统同步技术的研究现状。OFDM同步方法可分为两类：数据辅助型(Data-Aided)和非数据辅助型(Nondata-Aided)。数据辅助同步方法需要训练序列，是广泛研究的一类算法。此类方法适合突发性传输环境，一般其计算复杂度较低，估计精度较高，对信道的变化也不是很敏感。所以在相同条件下，比采用导频、保护间隔进行同步的性能更优。但由于算法是采用辅助数据来实现的，所以系统的数据传输速率会降低。目前这类算法的主要研究方向是如何更好的改善估计性能和提高系统的频谱效率。采用训练序列进行同步的思想最早由Classen&Meyr在1994年提出，文中利用自相关函数对频偏和时间进行联合同步，但频偏估计采用步长搜索方法，计算量很大。同年P.H.Moose提出在分组或帧的头部构造出完全相同的两个OFDM训练块，利用相同结构之间的时域相关性来进行频偏估计。但此算法只能估计出小数频偏值，并且使用的训练符号越短，利用最大似然法进行频偏的估计范围越大。鉴于此，M.Moreli&U.Mengali采用单个OFDM符号内进行2k重复的方法来增大频偏估计的范围，但这种方法存在一些缺陷：估计的精度会随重复的增加而降低；训练符号可用的子载波数减少，导致后继信道估计的准确度下降；对信道的衰落更加敏感。为了克服这个问题，T.Schmidl和D.Cox于1997年对此方法进行了改进，利用两个训练符号完成了时频同步，这种方法可适用于连续和分组传输系统。它采用的结构是第一个训练符号由前后完全相同的两部分组成，利用这两部分的相关性，通过寻找其最大相关值及其相位信息来完成符号同步和小数频偏估计，进行了小数频偏修正后，对第二个训练符号与第一个训练符号之间进行差分编码，构成估计代价函数，进行整数部分的估计。训练序列中导频序列设计还是采用Classen的方法，即伪随机(PN,Pseudo-noise)序列差分编码。该方法有很强的时频估计能力，并且计算复杂度也不高。系统下行信道同步技术概述，LTE系统概述。随着移动通信的蓬勃发展，全球无线通信呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势，移动通信行业竞争日趋激烈，一方面为了满足用户对宽带接入技术日益增长的需求，另一方面为了和Wimax，WiFi等新兴的无线宽带技术竞争，3GPP开始了UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)技术的长期演进(LongTermEvolution,LTE)项目，以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。3GPPLTE是关于UTRA(UniversalTelecommunicationRadioAccess)和UTRAN(UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)的改进项目，是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，它的目标是更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围，以及较低的成本。自2004年11月启动LTE项目以来，3GPP全力推进LTE的研究工作。项目以制订3G演进型系统技术规范作为目标，在时间上按照3GPP的工作流程分为两个阶段：从2004年12月到2006年6月份为“StudyItem”，即技术可行性研究阶段；从2006年6月到2007年6月为“WorkItem”，即具体技术规范的撰写阶段。按计划，2007年6月3GPP将完成项目，发布3G演进型系统第一个版本的技术规范。回顾LTE项目的进展，虽然工作进度略滞后于原计划，但经过艰苦的讨论和融合，目前已完成了R8LTE系统。根据乐观估计，第一批LTE商用设备会在2009~2010年上市。根据3GPP，LTE项目的主要需求指标包括：1支持1.25MHz-20MHz带宽，并且支持对称和不对称的频谱分配。LTE系统支持1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz的带宽设置，从而在技术上保证LTE系统可继续使用第三代移动通信系统的频谱；2系统性能方面：峰值数据率：上行50Mbps，下行100Mbps。上行频谱效率为R6HSUPA的2-3倍，下行频谱效率为R6HSDPA的3-4倍。用户吞吐量方面，下行链路每兆赫兹平均用户吞吐量为HSDPA的3-4倍，上行链路每兆赫兹平均用户吞吐量为HSUPA的2-3倍。3提高小区边缘的比特率，增强LTE系统的覆盖性能。4低时延要求：用户面延迟(单向)小于5ms，控制面延迟小于100ms；5支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作且追求后向兼容；6支持增强型的广播多播业务(MultimediaBroadcastMulticastService)；7取消电路交换，采用基于全分组的包交换。电路交换域的业务在包交换域实现，如采用VoIP技术；8对低速移动优化系统，同时支持高速移动；9以尽可能相似的技术同时支持成对(paired)和非成对(unpaired)频段；10可能支持简单的邻频共存。从LTE制定的目标需求可以看出，下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的传输能力对物理层传输技术提出了较高要求。在方案的征集过程中有6项提议被通过，经过多次会议的艰苦协商，在2005年12月召开的TSGRAN第30次全会上最终确定3GPPLTE系统物理层传输方案为上行采用单载波SC-FDMA，下行采用OFDMA。LTE下行传输方案采用传统的带循环前缀(CP)的OFDM，图1.5给出了LTEFDD模型下的通用帧结构。由图中可知，一个帧长为10ms，被等分为10个子帧，每个子帧的长度为1ms，其中每个子帧又被分为两个时隙，每个时隙长度为0.5ms，时隙包含6或7个OFDM符号，由循环前缀的长短决定。图1.5LTE通用帧结构子载波间隔是OFDMA系统中最基本的参数。在OFDMA系统中，要求子载波间隔须比相关带宽小，这样每一个子载波上的衰落才能近似看作为平坦的。在LTE系统中系统的带宽是可变的，从1.25MHz到20MHz；具体是将子载波间隔固定，通过选择不同的子载波数来达到支持不同的带宽。LTE下行OFDMA系统选择